区域增强导航定位系统的无线定位方法

区域增强导航定位系统的无线定位方法 Vol.32,No.10 October,2007 火力与指挥控制 FireControlandCommandControl 第32卷 第10期2007年10月 文章编号:1002-0640(2007)10-0030-04 胡泽明,王志刚,岳春生 (解放军信息工程大学,河南 郑州 450002) 摘 要:导航与定位被誉为现代战争的北斗星,在军事热点地区构建区域增强导航定位系统可以作为现役导航定位系统的备份和补充,可形成战场生命力更强的综合导航定位系统。分别研究了无线定位的基本类型和基本定位方法,并综合比较了它们的优缺点,提出移动台主导的定位类型和TOA/TDOA无线定位方法更适合区域增强导航定位系统。 关键词:区域增强导航定位系统,无线定位,到达角度,到达时间,到达时间差。中图分类号:TN919 ——————————————————————————————————————————————— 文献标识码:A TheRadio-LocationMethodinAreaAugmentation NavigationPositionSystem HUZe-ming,WANGZhi-gang,YUEChun-sheng (PLAInformationEngineerUniversity,Zhengzhou450002,China) Abstract:NavigationandPositionisTrionesinmodernwar.ConstructinganAreaAugmentationNavigationPositionSystem(AANPS)inmilitaryhotareascanbeservedasstandbyandcomplementarityofpresentnavigationandpositionsystems,whichformsacompositivenavigationandpositionsystemswithstrongerlife-force.Thispaperfirstlystudiesbasicradio-locaitontypesandradio-locaitonmethods,secondlycomparestheiradvantagesanddisadvantages,thendrawstheconclusionthatmobilestationdominantlocationtypeandTOA/TDOAlocationmethodaremuchfitforAANPS. Keywords:areaaugmentationnavigationpositionsystem,radio-location,angleofarrival,timeofarrival,timedifferenceofarrival 引 言 导航与定位功能在地质考察、舰船航行、异地旅行和作战指挥等 活动中发挥着重要作用。导航定位系统发展至今,出现了塔康、罗兰 和奥米加等陆基无线电导航定位系统,而美国的GPS和俄罗斯的 GLONASS卫星定位系统是导航定位系统发展史上的里程碑,具有覆盖 ——————————————————————————————————————————————— 范围广、定位精度高、全天候工作的良好特性。现役卫星导航定位系统和陆基无线电导航定位系统都存在着抗干扰、抗摧毁能力弱的不足。当地区发生冲突现役导航定位系统受到干扰或者被摧毁时,其提供服务功能将失效,这种状况为军队赢得战争提出了严峻挑战,因此在军事热点地 收稿日期:2006-01-10 修回日期:2006-10-07 作者简介:胡泽明(1977- ),男,河南新县人,博士研究 生,研究方向为战术通信网、组合导航、嵌入式S。 区构建区域增强导航定位系统(AANPS)是必要的,可以作为现役导航定位系统的补充和备份,并形成 可靠性更高、抗干扰抗摧毁能力更强的综合导航定位系统,在战时能提供可靠的导航定位服务功能。AANPS系统在美英等发达国家已有成熟系统,如美国的联合战术信息分发系统JTIDS、陆军位置系统PLRS等。这些系统已与GPS相互融合形成了综合导航定位系统为美军服务,并在近几场高技术局部战争中发挥着显著作用。无线电定位是AANPS系统的基本功能,无线电定位类型和定位方法的选择对AANPS系统的结构配置、性能指标和系统等有重大影响。因此在给出AANPS系统的基本组成后,本文重点研究了无线电定位类型和定位方法,并综合比较了它们的优缺点,提出移动台主导的定位类型和TOA/TDOA无线定位方法更适合AANPS系统。 (总第32-1177) ——————————————————————————————————————————————— ?31? 1 AANPS系统组成 AANPS系统是无线电导航定位系统,由导航平台、空基导航平台和用户终端三部分组成。陆基导 航平台分布在陆地(固定或者移动),是基准导航的参考源,定时发布导航电文,为空基导航台和用户终端服务。空基导航台分布在中低空,扩展陆基导航台的服务范围,并可转发导航信号。海上舰船、陆地车辆、地面部队和空中飞机等用户终端接收陆基导航平台和空基导航平台的导航数据,并测量导航电文到达时间TOA进行距离计算,然后基于优选策略选择最佳导航平台组合作为有效导航源计算用户终端的位置。AANPS系统组成如图1所示 : 而且每个用户都有唯一的身份识别码。但移动台结构较为简单,除了作为终端使用外,还可以作为伪导航台使用。 1 MS主导型和NS主导型比较 定位类型隐蔽性用户数定位实时性通信链路移动台结构典型系统 MS主导型 强不受限制较好不需要相对复杂GPS系统 NS主导型 弱受限制较差需要相对简单北斗一代 AANPS系统中导航台信号采用直序扩频等频谱扩展技术,使——————————————————————————————————————————————— 得信号抗干扰和抗截获能力强;导航台网络采用冗余配置和自组网方案,战场生存能力强;移动台分布在海上、陆地和空中,用户数很大,并要求隐蔽性好,定位实时性强,因此移动台主导的定位类型更可取。 图1 AANPS系统组成框图 3 无线定位方法 目前无线定位常用的信号特征参数有信号强度 、信号到达时间TOA、信SOA、信号到达角度AOA 号到达时间差TDOA和AOA+TOA等复合参数。在确认移动台主导的定位类型后,下文针对上述特征参数进行的无线定位原理阐述,并选择出适合AANPS系统的无线定位方法。3.1 信号强度SOA测量定位技术 信号强度是信号的常用特征参数,测量接收到的无线信号强度是实现无线定位的一种常用的方法。受气象条件等因素的影响,信号通过大气传播时要衰减。确定无线信道传输模型后信号衰减与距离远近可以用数学函数定量描述,据此可以画出信号的等距离强度曲线。这样根据多个距离值可以估算移动台的位置。设移动台MS通过测量导航台NSi的信号功率,并参考它们之间无线信道传输模型,计算出移动台到导航台的距离为di。这样MS必处于以i为圆心,di为半径的圆周上。当移动台采用N(NNS ?3)个导航台同时进行测距时,通过三圆几何关系即可求出移动台的位置。在平面直角坐标系中移动台定位方程为: (x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2=di2,i=1,…,n ——————————————————————————————————————————————— (1) 式中(x,y,z),(xi,yi,zi),di分别为移动台坐标位置,已知导航台i的坐标位置和SOA测量法求出i图1中BSi为编号为i的陆基导航台,pBSj为编号为j的空基导航台,MS为用户终端。AANPS系统通过直序扩频、跳频和跳时等混合扩频技术提高抗干扰和抗截获能力,同时导航平台采用冗余配置结构和无节点拓扑网络结构提高抗摧毁能力,因此系统战场生存能力强。 2 无线定位类型 无线定位指利用无线电信号的若干个特征参数的测量值和多个导航台的坐标计算出移动台的地理位置。目前无线定位类型分为两大类: 第一类:由移动台(MS)主导的定位类型。移动台测量导航台的信号特征参数,在本地完成定位计算,如GPS系统。这种定位类型移动台可以不辐射电磁波,隐蔽性强,属于广播式系统,用户容量不受限制,移动台本地计算定位实时性强,而且不需要专门的通信链路。但移动台结构稍微复杂,需要有较强的数据处理能力。 第二类:由导航台(NS)主导的定位类型。导航台测量移动台的信号特征参数,在导航台完成移动台定位计算,并通过通信链路将定位信息转发给移动台,如我国的北斗一代系统。这种定位类型要求移动台辐射电磁波,并在导航台集中完成位置计算,隐,, ?32?(总第 32-1178)火力与指挥控制2007年 第10期 ——————————————————————————————————————————————— 的增加而不断减小。第三,测量角度需要设置天线阵列,接收设备比较复杂这对便携式移动台是一个严峻挑战。 3.3 信号到达时间TOA测量定位技术 目前广泛使用的定位技术是通过测量导航台到移动台之间射频信号传输时间特性来实现的,普遍采用伪随机码时延相关法测量信号时延。与AOA相比较,TOA在同等条件下能够提供更高的定位精度,因而在实际中应用最广泛。 系统工作时导航台发布导航电文,移动台对收到的电文解调时,基于时间同步可以同时测量信号到达时间TOA。TOA主要由时钟同步误差、信号传播时延、移动台响应处理时延等组成。在估计或测定其他时延后可以准确估计出移动台和导航台的信号传输时延Td,因为信号以光速c行进,Td与c的乘 *积就是距离d=cTd。 图2 理想圆周定位法图3 非理想圆周定位法 圆周定位法计算移动台二维坐标需要三个导航台(其中一个导航台消除定位模糊),四个导航台可以测量三维位置。理想情况下三圆相交于于一点,即移动台位置,见图2。由于测距误差的影响,定位圆并 非相交于一点,而是一个区域,移动台位于这个区域内(如图3中阴影区域),可以采用最小二乘法或最小距离误差估计法对移动台的位置进行精确估值。 信号场强测量法原理简单,信号可以采用非视距传播,但定位误差——————————————————————————————————————————————— 较大,多径效应和通过障碍时产生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。在传输方向上,多径效应有时会使在相距仅0.5个波长的两点上信号强度相差30dB,40dB左右;克服阴影效应的主要方法是预先测量每个移动台周围的信号功率损耗等值线,移动台的机动性是很难实现的。3.2 信号方向AOA测量定位技术 测量信号的到达角度也是一种常用的定位技术。这种方法需要在移动台采用专门的天线阵列和复杂的信号处理模块来测量导航台信号的来源方向。对于一个移动台来讲,AOA测量可以得出导航台所在方向;当移动台同时测量两个导航台所发出的信号时,根据AOA值可以得到两条方向直线,它们的交点就是移动台所在的位置 。 理想情况下两直线相交于一点,即移动台位置,见图4,不产生位置模糊。由于测角误差的影响,移动台并非精确位于交 点处,而是一个位置区域内(如图5中阴影区域,将移动台测角误差等效到导航台绘制),可以采用最小二乘法、最小距离误差估计法和增加新的测角值等方法对移动台的位置进行精确估值。 测角定位方法原理简单,不要求导航台和移动台间的精确时间同步,但在实际应用中有一些缺点。首先,AOA定位要求移动台与参与测量的所有导航台之间信号是视线传输(LOS)的,非视线传输(NLOS)和多径效应将会给AOA定位带来不可预测的误差。其次,天线设备角分辨率的限制使得 TOA定位方程与SOA一样(见式(1)),并根据三圆相交定位法来确——————————————————————————————————————————————— 定移动台的位置。理想情况下三圆相交于于一点(见图2);由于测距误差的影响,定位圆相交成一个区域,移动台位于这个区域内(见图3)。可以采用最小二乘法、最小距离误差估计法和增加新的TOA测量值等方法对移动台的位置进行精确估值。 TOA测量定位技术实现起来比较容易,定位精度高,应用比较广泛,但要求导航台与移动台是时间同步的。时间同步误差是TOA测量法产生测距和定位误差的主要原因,100ns的同步误差可产生30m的测距误差。减小时间同步误差影响的方法是使用高精度原子钟作为基准时钟源,并采用有源往返校时技术。导航台与移动台间的位置分布也会产生测距误差,一般用几何精度衰减因子GDOP来描述;减小GDOP误差的方法是选择几何分布较好的导航台参与定位计算。 3.4 信号传播时间差TDOA测量定位技术 另一种基于信号传输时间特性的定位方法是测量移动台与不同导航台定位信号的时间差(TDOA),并由此计算出移动台到不同导航台的距离差。移动台到任何两个导航台的距离差d可以在两个导航台之间给出一条双曲线,双曲线的焦点是两个导航台,移动台处于该曲线上。当同时有N(N?3)个导航台参与测距时,由多个双曲线之间的交汇区域就是对用户位置的估计,与TOA圆周定位方程不同,TDOA是双曲线定位方程: di=di0= (xi)(y-yi)+i)-2 2 ——————————————————————————————————————————————— 2 (总第32-1179) ?33? (x-x0)+(y-y0)+(z-z0)= * (2)c(ti-t0),i=1,2,3,… 式(2)中把NS0作为主导航台,NSi作为辅导航 222 表2 无线定位技术比较 定位方法定位精度接收天线时间同步导航台个数实际应用 SOA较低简单不需要?3很少 AOA低天线阵列不需要?2较多 TOA较高简单移动台?3广泛 TDOA TOA+AOA 较高简单导航台?3广泛 高天线阵列移动台?1较多 台,测量主导航台和辅导航台之间的到达时间差来进行双曲线定位的 。 导航台与导航台与导航台与 从表2看出,TOA/TDOA技术定位精度较高,技术比较成熟,实——————————————————————————————————————————————— 现起来比较容易,不需要天线阵列作为接收装置便于移动台的小型化。因此整个系统设计以TOA/TDOA测距定位为主体。陆基导航台可以设置的比较复杂,对一些关键用户采用TOA+AOA联合定位方法,并使用通信联络转发位置信息,以进一步提高系统抗干扰能力。 图6 TDOA双曲线定位 理想情况下多条双曲线交于一点,给出移动台的准确位置。由于测距误差的影响,它们可以相交于一个区域(见图6)。可以采用最小二乘法、最小距离误差估计法和增加新的TDOA测量值等方法精确估计移动台的位置。 TDOA测量定位原理简单,定位精度高,应用广泛,但要求参与测距定位的导航台是时间同步的。与TOA相比,它的好处是不需要精确地求得导航台和移动台的响应和处理时延,因此在误差环境下性能相对优越。TDOA的定位误差也主要来自时间同步误差、非视线传输、多径效应和导航台的几何位置分布等,其误差减小方法与TOA相同。 3.5 复合参数测量定位技术 上述各种定位方法都是基于一个信号特征参数进行的,也可以考虑把几个信号特征参数联合起来使用,构成复合定位方法。圆一角定位系统把传播时间TOA和到达角度AOA 测量综合在一起,形成AOA+图7 AOA和TOATOA复合参数定位法,计算出复合定位法移动台的位置(见图7)。 圆一角定位法的优点是导航台与移动台间只进行一次测量,定位精度较高,可以实现单导航台位置测量。但要求移动台利用天线阵列——————————————————————————————————————————————— 测量AOA,其不足之处与AOA相同。3.6 定位方法比较 前文分别对SOA测量定位法、AOA测量定位法、TOA测量定位法、TDOA测量定位法以及复合参数测量定位法等无线定位方法进行原理阐述,并分别给出它们工作条件和优缺点。无线定位技术的对比如表2。 4 小 结 本文研究和比较了无线定位类型和无线定位方 法,提出移动台为主的定位类型和TOA/TDOA测距为主体的定位方法更适合AANPS系统,满足系统抗干扰能力强、用户容量大、定位精度高、实时性好、隐蔽性好和接收设置相对简单的要求。通过AANPS系统移动台被实时定位后,可以和地理信息系统GIS相结合,提供给用户更直观的位置信息,并可查询感兴趣目标的位置和属性,进行科学决策。参考文献: [1][2][3] 袁建平.GPS在飞行器定位导航中的应用[M].西安:西北工业大学出版社,1999. 干国强.导航与定位--现代战争的北斗星[M].北京:国防工业出版社,2000. 谢纪刚,郭 炜.移动通信系统中的无线定位技术及其应用[J].河北师范大学学报(自然科学版),2001,25(1):55-58.[4] 陈立万.基于网络通信无线定位技术的算法研究[J].四川大学学报(自然科学版),2004,41(6):1163-1167.[5] ——————————————————————————————————————————————— JamesJ,CafferyJr,GordonLS.OverviewofRadiolocationinCDMACellularSystems[J].IEEE[6] CommunicationsMagazine,1998(4):38-45. 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